岩石类材料直接拉伸破坏的FDEM数值模拟

有限元-离散元耦合算法(FDEM)在岩石裂纹扩展模拟中广泛应用,尤其在直接拉伸模拟中用于参数校核。然而,模拟结果通常受到拉伸速率和网格尺寸的影响。本文首先阐述FDEM基本原理;然后,建立直接拉伸数值计算模型,探究拉伸速率、网格尺寸及高径比对破坏模式和力学参数的影响;最后,给出直接拉伸模拟中建议采用的拉伸速率和网格尺寸。研究结果表明:随着拉伸速率增加,试样抗拉强度、破坏程度和峰值应变率增加,而平均弹性模量减小;在较低拉伸速率下(v≤0.01 m/s),试样仅产生1条主拉伸裂缝;当拉伸速率较高时,有分支裂缝出现在主拉伸裂缝上侧。网格尺寸对抗拉强度、峰值应变率和平均弹性模量的影响较小,但对破坏模式和破坏程度的影响较显著。随着高径比增加,试样的抗拉强度、破坏程度和峰值应变率增大,但平均弹性模量呈相反趋势,并且高径比对破坏程度的影响较为显著。建议在直接拉伸模拟中使用0.01 m/s的拉伸速率,并将网格尺寸限制在1.5 mm以内。

拉伸成膜工艺诱导聚乳酸结晶行为的研究进展

聚乳酸(Polylactic acid,PLA)具有良好的生物可降解性、生物相容性以及一定的力学强度,是当前包装材料应用研究的热点之一。然而,PLA脆性大、耐热性差等问题限制了其应用范围的拓展。拉伸成膜工艺是一种温度场、拉伸场等多场耦合的塑料薄膜成型工艺,在拉伸成膜过程中,调节拉伸温度、拉伸比、拉伸速率等工艺参数,可改变PLA分子的结晶、取向等凝聚态结构以及拉伸诱导结晶程度,最终改善PLA薄膜的性能。本文综述了拉伸成膜工艺参数(拉伸温度、拉伸比、拉伸速率等)分别对PLA拉伸诱导结晶行为的影响,以期为实现PLA薄膜的高性能化以及拓展其应用范围提供一定的理论指导。

纤维特征参数对HES-HDC单轴拉伸性能的影响及拉伸韧性评价方法

为探究高早强高延性混凝土(HES-HDC)在不同PE纤维直径与体积率下的单轴拉伸力学性能,设计了17组薄板试件进行单轴拉伸试验,研究PE纤维直径(22μm和25μm)及体积率(1.00%、1.25%和1.50%)对不同龄期(2 h、24 h、7 d、28 d和56 d)HES-HDC应力-应变曲线、拉伸强度和应变的影响;根据试验结果提出了HDC拉伸韧性评价方法.结果表明:在拉伸荷载作用下,HES-HDC应力-应变曲线展示出应变强化特性,破坏过程呈多裂缝开展;2 h龄期时,HES-HDC拉伸强度与应变达到3.29 MPa和0.88%以上;28 d时,HES-HDC拉伸应变可保持在1.28%以上;当纤维体积率为1.00%时,小直径纤维对试件拉伸应变有利,而大直径纤维对试件拉伸强度有利;综合大直径纤维试件拉伸强度与应变,纤维最佳体积率为1.25%.提出的拉伸韧性评价方法可评价HDC薄板受拉全过程的韧性.随龄期的增长,HES-HDC拉伸韧性指数降低,而拉伸强度系数提高;小直径纤维试件的拉伸韧性高于大直径纤维试件;纤维体积率为1.25%时试件拉伸韧性最大.

预变形对2195铝锂合金拉伸力学性能的影响

通过硬度测试、室温拉伸测试、电子背散射衍射分析(EBSD)、透射电子显微分析(TEM)以及数字图像相关(DIC)等手段,研究不同拉伸预变形量对2195铝锂合金在155℃时效后拉伸力学性能的影响。结果表明:拉伸预变形量为2%、4%、6%、8%的合金经过155℃时效后,其抗拉强度分别为560.4 MPa、570.8 MPa、573.6 MPa、575.9 MPa。随着预变形量的增大,合金强度不断提高,这是由于位错是强化相T1相的有利形核点位,拉伸预变形量的增大使得位错密度增加,从而使得T1相数量密度增加。但随着拉伸预变形量的增大,拉伸预变形对合金的强度提升幅度逐渐减小,这主要是位错堆积缠结,析出相形核点重叠导致的。随着拉伸预变形量从2%增大到8%,合金的伸长率从9.6%下降到6.4%。通过DIC观察,拉伸预变形量的增大会使得拉伸过程中的应变集中现象提前出现,颈缩稳定性有所降低。这是由于较大的拉伸预变形量会使得合金在预变形阶段的应变分布不均匀,合金内出现破碎的变形组织晶粒。这些变形组织晶粒与周围其他晶粒组织的晶粒取向不同,更有利于微裂纹的萌生和扩展。4%的拉伸预变形量可以使2195铝锂合金达到最佳的强塑性匹配,此时抗拉强度为570.8 MPa、屈服强度为543.4 MPa、伸长率为8.7%。

拉伸速率对05Cr17Ni4Cu4Nb钢拉伸试验结果的影响

分别以0.9 mm/min、7 mm/min、24 mm/min的拉伸速率对05Cr17Ni4Cu4Nb钢进行了拉伸试验,以揭示拉伸速率对05Cr17Ni4Cu4Nb钢拉伸性能的影响。分析了在测定了RP0.2后以较高速率进行的拉伸试验对Rm真实值的影响。结果表明:拉伸速率不同,测定的05Cr17Ni4Cu4Nb钢的拉伸性能也不同;随着拉伸速率的提高,由于瞬时惯性作用拉伸曲线偏高,测定的Rm值明显大于真实值。合理选择和控制拉伸试验不同阶段的拉伸速率是确保试验结果真实和可靠的重要条件。

基于能力验证活动对塑料拉伸性能测定的评价

能力验证是通过实验室间比较,按照相关标准对参加实验室的检测过程及结果进行评估,是一种提高第三方检测机构报告可靠性的工具。能力验证是评价实验室质量水平的一部分,能够建立实验室内部和实验室之间检测项目能力水平高低的体系。能力验证还可以发现有问题的实验室检测程序,帮助第三方实验室启动改进措施。为了了解相关企业在塑料拉伸性能测定的检测能力,本机构于2023年组织实施了项目编号为CVC2023PM02塑料拉伸性能测定能力验证计划,本次计划通过作业指导书统一规定试验要求和检测参数,通过z/z'比分数对实验室返回的拉伸强度和拉伸强度拉伸应变进行评价,对有问题和不满意的实验室提出几点技术分析建议。

双向拉伸聚乙烯薄膜专用料的结构剖析

利用凝胶渗透色谱仪(GPC)、差示扫描量热仪(DSC)和核磁共振波谱仪(NMR)等对2种进口双向拉伸聚乙烯(BOPE)薄膜专用料(SP3022和TF80)和国产茂金属线型低密度聚乙烯(mLLDPE)薄膜专用料(EZP2010HA)的结构和性能进行了分析对比。结果表明:与EZP2010HA相比,SP3022和TF80的熔体流动速率更低,相对分子质量及其分布更宽,密度、熔融温度、结晶温度、结晶度均更高,厚晶片含量更多,剪切黏度更小,更适合双向拉伸加工。

基于离散元法的耕层残膜拉伸性能研究

由于耕层残膜回收机关键农机部件设计优化过程中缺乏准确的残膜离散元模型参数,在一定程度上制约了耕层残膜回收机残膜受力机理分析与机构优化改进。本文以棉田耕层残膜为研究对象,对耕层残膜含量和极限拉伸力进行测定,得到不同耕层深度、不同厚度的残膜含量和极限拉伸力。根据测定结果,利用EDEM软件选用Hertz-Mindlin with Bonding接触模型对耕层残膜进行离散元模型参数标定,选用单位面积法向刚度、单位面积切向刚度、临界法向应力、临界切向应力、粘结半径、接触半径为试验因素。通过Plackett-Burman试验,确定影响Bond键的主要参数有单位面积法向刚度、临界法向应力和粘结半径。通过最陡爬坡试验和Box-Behnken试验,最终确定最优的Bonding模型显著参数单位面积法向刚度、临界法向应力、粘结半径分别为2.36×10^(5) N/m^(3)、6.47×10^(4) Pa、0.004 mm,对参数进行了仿真试验验证,误差为5.88%,满足要求。通过对比物理试验与仿真试验的拉伸过程耕层残膜状态与拉伸曲线,表明了耕层残膜模型合理性,为后期耕层残膜回收机仿真与膜土分离机理研究提供了理论支撑。

连续SiCf/TC17复合材料室温偏轴拉伸性能研究

采用磁控溅射法结合热等静压工艺制备SiCf/TC17复合材料,通过SEM观察试样的断口形貌,研究了复合材料在室温的偏轴拉伸性能及断裂机制。结果表明:纤维偏轴角度在0°~2°间,复合材料轴向性能变化较小,拉伸强度稳定在1960~1987 MPa;纤维偏轴角度再增大时(>2°),材料拉伸强度近似呈单调线性降低,由1870 MPa降至1797 MPa。纤维偏轴角度较小时(≤2°),平坦区基体与纤维断裂面平整,且两者的断裂面平行。纤维/基体界面没有明显的脱粘破碎迹象;纤维偏轴角度较大时(>2°),部分纤维存在“斜切断裂”,纤维拔出距离变长,且不再与基体的断裂面保持在同一平面,基体撕裂损伤严重。依据断口形貌结合局部承载模型,详细论述了SiCf/TC17复合材料两种拉伸失效的断裂过程。纤维偏轴角度较小时(≤2°),裂纹萌生于纤维间距较小的反应层,在界面处钝化或偏转进而形成不同截面的平坦区,当纤维超过承载能力极限,试样整体断裂;纤维偏轴角度较大时(>2°),“拉-剪”耦合效应导致C涂层与反应层间的界面脱粘破碎形成裂纹源,裂纹加速反应层受损或导致界面脱粘致使纤维断裂,当基体及剩余纤维超过承载能力极限,试样整体断裂。

用于扫描电镜中的新型原位EBSD拉伸系统设计

为了利用扫描电镜实时观测材料的力学性能测试,并对材料进行原位电子背散射(EBSD)实验,设计了一套可用于扫描电镜中的新型原位拉伸装置及上位机控制系统,该装置集成了力传感器与位移传感器,使用两个步进电机驱动两个滚珠丝杠转动,可在扫描电镜中对试样进行拉伸或者压缩。在基于LabVIEW的上位机控制系统中,通过NI数据采集卡采集原位拉伸装置中的各种传感器数据,并使用数据采集卡给步进电机驱动器发送驱动信号来驱动步进电机。利用原位拉伸装置在扫描电镜中进行Inconel 625镍基高温合金的原位拉伸EBSD观测实验。实验结果表明,本装置操控平稳精确,能够在保持拉力的同时提供稳定保载的实验环境,能够进行镍基高温合金的原位拉伸EBSD实验。本装置运行平稳精确,具有较高可靠性,满足在扫描电镜中试件原位拉伸的需求。

拉伸速率对天然橡胶/有机黏土复合材料力学性能的影响

采用I.44P有机黏土填充天然橡胶(NR)制备天然橡胶/有机黏土复合材料(NRCNs),考察拉伸速率对NRCNs力学性能的影响。结果表明,单轴拉伸测试下,拉伸速率为50 mm/min时,NRCNs的力学性能最优,拉伸强度达到19.50 MPa,较拉伸速率为500 mm/min时的拉伸强度提高了22.64%;随着拉伸速率的提高,NRCNs的结晶度逐渐减小,表明NRCNs在较慢的拉伸速率下降温结晶性能更好。多轴拉伸测试下,当应变为120%、拉伸速率为50 mm/min时,NRCNs的力学性能最优,拉伸强度达到0.38 MPa,较拉伸速率为10 mm/min时的拉伸强度提高了8.57%;在相同的拉伸速率下,经过单轴拉伸的NRCNs的拉伸强度为0.8 MPa,较多轴拉伸的NRCNs的拉伸强度提高了128.57%。

不同一次性拉伸方式对腘绳肌形态的急性影响

研究一次性静态拉伸与一次性动态拉伸对双关节腘绳肌组织形态的急性影响。方法:采集10名无腘绳肌损伤成年男性在一次性静态拉伸与一次性动态拉伸前后腘绳肌肌腹的全景超声图像,比较不同拉伸方式前后股二头肌长头(BFLH)、半膜肌(SM)与半腱肌(ST)的组织形态变化。结果:一次性动态拉伸与一次性静态拉伸均可延长BFLH、SM与ST的肌束长度(P<0.01),但均不改变肌肉厚度(P>0.05)。在两种拉伸前后,肌束长度与肌肉厚度均存在BFLH、SM与ST之间的差异(P<0.01),其中肌束长度由大到小依次为ST、BFLH、SM,肌肉厚度由大到小依次为SM、BFLH、ST。一次性动态拉伸作用下,BFLH的肌束延长率大于ST的肌束延长率(P<0.01),BFLH和ST肌束延长率均与SM无差异。一次性静态拉伸作用下,SM的肌束延长率大于ST(P<0.05),SM和ST肌束延长率均与BFLH无差异。相比于一次性动态拉伸,一次性静态拉伸使BFLH肌束延长率更低(P<0.01),SM与ST肌束延长率均不存在拉伸方式间的差异。结论:相比一次性静态拉伸,一次性动态拉伸可更明显地改变BFLH形态。ST与SM的形态均可被两种拉伸方式改变,但二者形态变化程度均无拉伸方式间的差别。三条腘绳肌之间存在结构差异,且在拉伸作用下发生了不同程度的形态变化。研究结果可为拉伸类型选择及后续研究提供理论依据。

纵向钢筋C型卡槽连接单向拉伸力学性能

为提高装配式纵向钢筋连接的施工效率,提出了C型卡槽连接方式,制作9个连接件并进行单向拉伸试验,观察其破坏形态,研究试件荷载-位移曲线、应变发展过程,分析不同锚固板直径对连接件连接性能的影响;基于混凝土局部受压计算公式,推导出C型卡槽连接钢筋的承载力计算公式,并给出不同锚固板直径与带锚固板钢筋直径的适配表。结果表明:锚固板直径为43 mm和48 mm的连接件发生带锚固板钢筋拉断破坏,荷载-位移曲线与单根钢筋拉伸的荷载-位移曲线相似,均能满足JGJ 107—2016和ACI 318对接头的强度要求;锚固板直径为38 mm的连接件是依据JGJ 256—2011选取锚固板直径,试验过程中发生带锚固板钢筋拔出破坏,证明按照规程取值,锚固板直径偏小,无法满足连接要求;锚固板直径为38 mm的连接件其荷载-位移曲线呈现波浪形,承载力虽小于前两者,但仍具有较好的延性和较高的残余承载力;所有连接件的C型卡槽在整个受力过程中应变值较小,始终处于弹性阶段,C型卡槽环向应变表现为压应变,C型卡槽连接钢筋承载力的理论计算结果与试验结果相符。

后道拉伸对聚丁二酸丁二醇酯/丝胶蛋白共混纤维结构与性能的影响

为提高纤维的力学性能,采用后道拉伸处理聚丁二酸丁二醇酯(poly(butylene succinate),PBS)/丝胶蛋白(silk sericin,SS)共混纤维,研究拉伸倍数和拉伸温度对纤维形态结构、化学结构、热性能、力学性能与降解性能的影响。结果表明,随着拉伸倍数增加,PBS与丝胶蛋白发生相对位移,纤维表面沿拉伸方向出现明显条纹;随着拉伸温度增加,纤维表面的条纹减少,表明温度的增加提高了PBS分子链的运动能力,使纤维保持致密结构。随着拉伸倍数和拉伸温度的提高,共混纤维的力学性能和结晶度呈现先增加后减小的趋势,在后道拉伸倍数为4倍,拉伸温度为75℃时,纤维的结晶度可达61.30%,此条件下的纤维断裂强度最大为2.0 cN/dtex,接近粘胶纤维的力学强度,可满足纺纱、非织造等纺织加工工艺的要求。

基于螺栓拉伸刚度的地铁盾构隧道纵向刚度计算

针对现有盾构隧道纵向刚度计算方法缺乏试验验证且未考虑螺栓拉伸刚度等因素影响的不足,首先,理论推导盾构隧道纵向刚度的解析计算方法;然后,以上海地铁盾构隧道为背景,设计并开展缩尺模型试验,通过实测结果验证解析计算方法;最后,以珠三角地区盾构隧道为工程背景,计算盾构隧道纵向刚度。结果表明:由于螺栓预紧力的存在,跨中加载较小时的实测隧道纵向刚度偏大,但随着跨中加载的增加,实测结果与理论计算结果趋于接近,验证了解析计算方法的合理性;珠三角地区盾构隧道在弹性阶段、塑性阶段和塑性变形后的纵向螺栓拉伸刚度依次为2.1255×10^(6),0.9859×10^(6)和3.1856×10^(6) N·m^(-1),纵向刚度依次为3.3068×10^(8),1.5345×10^(8)和4.9543×10^(8) N·m^(2);考虑到地铁盾构隧道发生纵向变形时,一定范围内的纵向螺栓所处变形阶段存在差别,在实际纵向刚度取值时应根据隧道最大变形导致的纵向螺栓拉伸量来具体分析确定。

含镍铬合金丝纬编电热层复合材料的拉伸性能

为开发一种航空飞行器防冰用电热复合材料,选取3种细度的镍铬合金丝,基于平针、罗纹和双罗纹3种纬编结构,优选了6种镍铬合金丝纬编电加热织物,以镍铬合金丝纬编织物为电热层,制备玻璃/环氧电热复合材料,并采用实验方法研究了镍铬合金丝细度和纬编结构对电加热织物及其复合材料的电热性能和对复合材料拉伸性能的影响。结果表明:同种纬编结构,镍铬合金丝细度较大,织物电热转换效率较低,电加热织物及其复合材料表面最高平衡温度较高,电热复合材料拉伸强度较小;同种镍铬合金丝细度,在11 V直流电压30 s下,平针组织电加热织物为电热层的复合材料表面温度由室温升高到74.1℃,升温速率达1.63℃/s,较罗纹和双罗纹组织升温速率分别高154.69%和33.61%;平针组织电加热织物为电热层的复合材料的拉伸强度为450.2 MPa,较罗纹和双罗纹组织拉伸强度分别高3.68%和4.53%。初步工作表明,含镍铬合金丝纬编电热层复合材料有望满足航空飞行器防冰用电热复合材料的需求。

镭射BOPP基膜循环拉伸力学性能的试验研究

目的为研究双向拉伸聚丙烯(Biaxially Oriented Polypropylene,BOPP)薄膜在重复拉伸使用后的弹性模量变化以及应变变化趋势。方法以26μm BOPP薄膜为研究对象,以1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 N为最大加载力分别进行加载周期为15次的单轴循环拉伸试验,总结对比循环次数以及加载力对弹性模量及棘轮应变的影响,分析薄膜性能变化趋势。结果通过对比同一加载应力不同循环下的弹性模量以及棘轮应变,发现在预设加载力下随着循环次数增加,薄膜弹性模量呈增大趋势,且增大幅度逐渐减小,其棘轮应变与弹性模量变化趋势一致;通过取均值对比不同加载力下的弹性模量以及棘轮应变变化,发现薄膜弹性模量随加载力增大而先增大后减小,最大应变以及最小应变均随加载力的增加而增大。结论通过试验研究得出了BOPP薄膜在循环拉伸中弹性模量及棘轮应变随加载力、循环次数增大的变化趋势;对薄膜性能变化有了一定的预测,并为实际加工中的张力选择提供了指导性建议。

双向拉伸聚丙烯薄膜shish-kebab结构的辐照劣化模型研究

高能射线辐照会导致电容器储能介质发生交联和降解等化学变化,进而影响到电容器的宏观电气性能和应用性能。该文以双向拉伸聚丙烯(biaxially oriented polypropylene,BOPP)薄膜典型的串晶结构(shish-kebab)为对象,研究了γ辐照积累剂量D对分子链结构和结晶特性的影响,建立了辐照劣化模型。研究结果表明,当D<10 kGy时,辐照交联和降解反应同时发生且程度相当,结晶度和大分子含量均无明显变化;当D≥10 kGy时,辐照降解反应占主导,shish晶逐渐被破坏,结晶度和大分子含量逐渐下降;当D=1000 kGy时,shish-kebab结构几乎完全破坏,薄膜内主要为片晶和无定形结构。该模型描述了γ辐照下shish-kebab结构的劣化过程,为聚合物晶体结构的辐照老化机理研究提供参考。

SiC_(f)/Ti65复合材料的拉伸行为研究

采用磁控溅射先驱丝法结合热等静压工艺制备SiC_(f)/Ti65复合材料,研究了SiC_(f)/Ti65复合材料室温、高温拉伸行为,揭示了SiC_(f)/Ti65复合材料拉伸断裂机制。研究结果表明:SiC_(f)/Ti65复合材料的室温、高温抗拉强度相比于Ti65合金的抗拉强度分别提升29%和164%,验证了复合材料的增强效果。SiC_(f)/Ti65复合材料的室温拉伸断裂机制为反应层断裂、纤维/基体界面脱粘、基体脆性断裂、纤维断裂、包套韧性断裂;高温断裂机制为反应层断裂、纤维/基体界面脱粘、纤维断裂、W/SiC界面脱粘、基体和包套韧性断裂。

超深井套管卡瓦效应的拉伸极限载荷理论计算

针对新疆某油田超深井井口套管悬重过大,造成卡瓦牙对套管外壁齿入损伤,且累计损伤导致卡瓦悬挂器套管断裂失效的事故频繁,提出了“卡瓦效应的拉伸极限载荷”来评价井口卡瓦悬挂器夹持部分套管的强度设计,具体为基于第三强度理论和第四强度理论,分别建立了井口卡瓦悬挂器夹持套管的“卡瓦效应拉伸极限载荷”计算模型。计算结果表明,从安全角度评价套管强度,采用第三强度理论计算卡瓦悬挂器套管的卡瓦效应拉伸极限载荷更合理,但为更充分利用材料的力学性能,应采用第四强度理论进行评价,还得到在四通有限空间内,可以保证有较大的卡瓦效应拉伸极限载荷的最佳卡瓦半锥角为23°~25°,最佳卡瓦有效接触长度为135~145 mm。研究方法和结果将为卡瓦悬挂器井口套管的强度设计、各种安全施工作业等提供理论依据。